地源熱泵系統(tǒng)是將低品位熱量轉(zhuǎn)換成高品位熱量進行供熱、制冷的新型能源利用方式之一。與使用燃煤、燃氣、燃油等常規(guī)能源方式相比，其能量利用率為3.5以上(燃煤為0.65～0.85；燃油爐為0.7～0.9；燃氣爐為0.8～0.85；電鍋爐電熱膜的理想值也只能接近于1；空氣源熱泵系統(tǒng)可做到2.5，但在惡劣天氣下效率低，甚至無法啟動)。地源熱泵系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能、一機多用、維護量小、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、能源重復(fù)利用等優(yōu)點而得以推廣。據(jù)美國環(huán)保署估計，一套設(shè)計安裝良好的地源熱泵系統(tǒng)平均可以節(jié)約(30～40)%的運行費用，可減少污染物排放高達70%以上。

    然而在實際工程應(yīng)用中，很多地源熱泵項目因設(shè)計、施工及運行管理等問題，遠遠沒有發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。下面通過對我單位實施的某地下水源熱泵系統(tǒng)改造前后的運行數(shù)據(jù)進行對比，以及與其它地源熱泵項目、與其他空調(diào)形式進行對比，說明了地源熱泵系統(tǒng)在運行中的經(jīng)濟性及影響其經(jīng)濟性的相關(guān)因素。

工程概況

    該項目位于北京海淀區(qū)，原地源熱泵系統(tǒng)由北京某地源熱泵施工單位承建，總建筑面積4.2萬平方米，其中主樓2.8萬平方米，裙樓1.4萬平方米。共設(shè)LWP1800.2型水源熱泵機組7臺，單臺標稱功率123kW；鑿井7眼，深井泵7臺，單臺標稱功率37kW；抽取的地下水除沙后分別經(jīng)7臺板式換熱器與機組進行熱交換，作為機組的冷熱源；井水側(cè)二次水循環(huán)泵7臺，單臺標稱功率15kW；末端循環(huán)泵7臺，單臺標稱功率18.5kW。系統(tǒng)于2004年6月建成并部分投入使用，運行效果較差，不能滿足正常的使用要求。

    2006年初由建研院空調(diào)所進行熱泵系統(tǒng)改造設(shè)計、北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司進行了系統(tǒng)改造施工、調(diào)試，并承擔(dān)了空調(diào)系統(tǒng)的日常運行維護管理工作。改造后主樓利用原有水源熱泵機組5臺，鉆鑿抽水井3眼、回灌井3眼、水量調(diào)節(jié)池1眼，新安裝深井泵3臺，標稱功率55kW并配ABB變頻器3臺，井水經(jīng)除沙器及電子水處理儀處理后直接進入機組，無井水側(cè)二次循環(huán)泵；使用原末端循環(huán)泵5臺；末端設(shè)備采用新風(fēng)機組加風(fēng)機盤管進行冬季供暖及夏季供冷。其中新風(fēng)機組17臺，合計71.1kW；風(fēng)機盤管542臺，合計20.3kW。裙樓利用原有水源熱泵機組2臺；井水部分與主樓共用，使用原末端循環(huán)泵2臺。

    本文以主樓地源熱泵系統(tǒng)07年冬季及08年夏季運行數(shù)據(jù)進行分析，在下文中將改造后的主樓地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)簡稱為本系統(tǒng)。

   本系統(tǒng)運行以來，井水出水溫度最高16.3℃，最低15.3℃；利用溫差大多在3.5～7℃之間；單井出水量大于180m3/h； 靜水位30.15m、動水位約30.5m；抽水降深為0.35m±8%；水量調(diào)節(jié)池靜水位為12.13m、動水位15.3m，差為3.17m；井水含沙量小于二十萬分之一。依此數(shù)據(jù)判定地下水系統(tǒng)運行較為穩(wěn)定。

    熱泵機組開啟3臺的時間占總運行時間7%以下、開啟2臺時間占74.5%、開啟1臺時間占18.5%；深井泵及變頻器從06年10月運行以來最多開啟1臺，夏季平均運行頻率為74%、冬季平均運行頻率為77.2%；末端循環(huán)泵最多開啟2臺。末端供回水溫差大多在2.5～4.8℃之間，系統(tǒng)運行效率較高。

    由于原系統(tǒng)運行能耗數(shù)據(jù)無從考究，在與原系統(tǒng)進行對比過程中，根據(jù)原運行人員口述系統(tǒng)設(shè)備投入運行的情況做簡要對比。

    原系統(tǒng)于2004年6月建成并部分投入使用。運行中地下井水能量短路及含沙量嚴重超標，加上板換兩側(cè)流體之間的換熱效率低下、運行維護不善，致使系統(tǒng)井水側(cè)水路嚴重堵塞。系統(tǒng)長期處于大流量小溫差運行狀態(tài)：為滿足一臺熱泵機組的正常工作需開啟深井泵4臺、井水側(cè)二次循環(huán)泵3臺、末端循環(huán)泵3臺，井水側(cè)及板換側(cè)溫差均工作在2℃以下。末端溫度不能有效提升，為滿足末端負荷需求進而增開末端循環(huán)泵，無形之中又增加了熱泵對冷熱源需求。如此反復(fù)惡性循環(huán)，造成系統(tǒng)運行效率低下、熱泵機組啟停頻繁、外管線土方塌陷等問題。

    表2列出了改造前后一臺熱泵機組滿負荷運行工況下所投入的設(shè)備，圖表1為改造前后節(jié)能情況對比。其中改造后的深井泵供一臺熱泵機組運行時只需給定70%的負荷，此時電流約為43A（在開式系統(tǒng)中適當(dāng)下延回水管可降低深井泵揚程以達到節(jié)電的目的），合功率約22kW，故表2中改造后深井泵功率按22kW計算。

    通過以上數(shù)據(jù)表明系統(tǒng)改造是成功的。按表中計算系統(tǒng)供暖季節(jié)電393120度；制冷季節(jié)電253760度，全年共節(jié)電646880度，比原系統(tǒng)節(jié)電56%。

   通過對比，可以分析得出原系統(tǒng)出現(xiàn)高能耗的原因：

    1、系統(tǒng)設(shè)計不合理。單臺深井泵抽水后經(jīng)一臺板換換熱后回灌，能量利用不夠充分；地下水系統(tǒng)存在能量短路現(xiàn)象。

    2、施工組織不得力，成井質(zhì)量不高。井水含沙量嚴重超標，造成井周圍抽空導(dǎo)致地面塌陷。提高成井質(zhì)量可以解決井水含沙量過大的問題，可去除井水側(cè)的二次循環(huán)設(shè)備能耗及板換換熱的溫差損失，有利于實現(xiàn)井水的100%回灌。

    3、運行維護不得力。運維人員未定期除沙，對系統(tǒng)運行原理理解不夠，造成系統(tǒng)管路嚴重堵塞（如圖1），增加了水阻而降低了深井泵的運行效率；在井水供應(yīng)不足的條件下增開末端循環(huán)泵，造成末端系統(tǒng)大流量小溫差運行。

    本次同系統(tǒng)對比分析數(shù)據(jù)來源于北京市地質(zhì)調(diào)查研究院王澤龍工程師所做的《北京市平原區(qū)淺層地溫能資源地質(zhì)勘查項目－淺層地溫能資源開發(fā)利用經(jīng)濟效益分析研究》。文中參與分析研究的項目為30個，其中地埋管地源熱泵項目5個，地下水地源熱泵25個；有制冷數(shù)據(jù)的項目27個，有采暖數(shù)據(jù)的項目29個。
 
    因多數(shù)項目的末端風(fēng)機盤管或新風(fēng)機組的電耗沒有單獨計量，故在本節(jié)的對比分析中不計算末端設(shè)備能耗。

    從表3可知，本系統(tǒng)供暖季電耗0.113kW•h/(m2•d)，接近同系統(tǒng)最小值；比同系統(tǒng)平均值節(jié)電59.9%，供暖季合計少耗電890040 kW•h；比同系統(tǒng)最大值節(jié)電78.6%。制冷季電耗0.06 kW•h/(m2•d)，低于同系統(tǒng)最小值；比同系統(tǒng)平均值節(jié)電65.5%，制冷季合計少耗電387747.5 kW•h；比同系統(tǒng)最大值節(jié)電84%。
熱泵系統(tǒng)單位面積電耗差距較大。供暖季最大值是最小值的4.75倍；制冷季最大值是最小值的6.37倍。

   以此分析數(shù)據(jù)可以看出：

    1、熱泵系統(tǒng)運行能耗效率差距較大，在日后的推廣與發(fā)展中還需不斷進行優(yōu)化與完善。

    2、熱泵系統(tǒng)專業(yè)性強。為充分發(fā)揮其節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢，還需我們延伸服務(wù)范圍，從項目全壽命周期出發(fā)，加強日后運行維護管理隊伍的建設(shè)，以充分體現(xiàn)地源熱泵工程的價值。

    3、熱泵系統(tǒng)是一項好技術(shù)，但是能否達到節(jié)能效果，則需要對項目實施的各個階段嚴格把關(guān)，最重要的環(huán)節(jié)是地下系統(tǒng)的施工質(zhì)量。

   與其它采暖系統(tǒng)進行對比的資料為：中國國際工程咨詢公司2001年所做的《北京城市采暖供熱方式研究》，該報告中計算了各種采暖方式折合為標準煤的能耗和污染物的排放量。

本系統(tǒng)與其它采暖空調(diào)系統(tǒng)對比
 
 

    本系統(tǒng)供暖季能耗折合為煤耗為9.21Kg/m2•季，與其它采暖方式相比能耗最低。與城市熱網(wǎng)采暖相比每平方米每季少耗煤12.52Kg/m2•季，節(jié)能58%，每平方米每季少排二氧化硫326克/m2•季、氮氧化物121.7克/m2•季、煙塵34.8克/m2•季；與蓄熱式電鍋爐相比每平方米每季少耗煤47.89Kg/m2•季，節(jié)能83.9%；與電熱膜相比每平方米每季少耗煤45.02Kg/m2•季，節(jié)能83%；與壁掛式燃氣爐相比每平方米每季少耗煤11.61Kg/m2•季，節(jié)能55.8%，每平方米每季少排氮氧化物43.4克/m2•季、煙塵2.95克/m2•季；與直燃機相比每平方米每季少耗煤10.38Kg/m2•季，節(jié)能53%，每平方米每季少排氮氧化物40.8克/m2•季、煙塵2.8克/m2•季。

    本系統(tǒng)年能耗折合標煤為12.36Kg/m2•年。與城市熱網(wǎng)+冷水機組相比少耗煤16.41Kg/m2•年，節(jié)能57%；與蓄熱式電鍋爐+冷水機組相比少耗煤51.78Kg/m2•年，節(jié)能80.7%；與電熱膜+冷水機組相比少耗煤48.91Kg/m2•年，節(jié)能79.8%；與壁掛式燃氣爐+冷水機組相比少耗煤15.5Kg/m2•年，節(jié)能55.6%；與直燃機+冷水機組相比少耗煤14.27Kg/m2•年，節(jié)能53.6%。

    從以上分析數(shù)據(jù)可以看出：

     1、地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運行費用最低。其全壽命周期價值可因此而趨于最佳。系統(tǒng)的經(jīng)濟性可根據(jù)建設(shè)投資、運行成本及使用年限進行評價。

     2、對于空調(diào)系統(tǒng)中，系統(tǒng)的節(jié)能與減排具有統(tǒng)一性。熱泵系統(tǒng)沒有直接排放、其能耗小，間接排放相對較低，因此是日前理想的空調(diào)系統(tǒng)。

綜上所述：
　　　
    地源熱泵系統(tǒng)是一種節(jié)能、環(huán)保的空調(diào)系統(tǒng)。其節(jié)能空間巨大。項目策劃階段的地質(zhì)資源評估、工程實施階段的設(shè)計、施工及組織管理；運行維護階段的參數(shù)（水流量及風(fēng)量）調(diào)整、峰谷平電價的利用等都與其經(jīng)濟性密切相關(guān)。

    好的技術(shù)不一定成就好的項目，節(jié)能技術(shù)做不好就不節(jié)能。地源熱泵系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在地下系統(tǒng)。這就要求我們做好項目策劃、設(shè)計、施工及運行維護的每一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以“干一個項目，樹一塊豐碑，開拓一方市場”的思路推動熱泵產(chǎn)業(yè)不斷完善和進步，用知識與經(jīng)驗去挖掘其更廣闊的節(jié)能空間。

責(zé)編：dhl